Цифровое зеркало

Элементы единого информационного пространства автоматизированного производства

Анализ тенденций развития современного машиностроительного производства подтверждает неуклонный рост в составе технологических переделов доли аппаратно-программных комплексов, интегрированных в производственные системы, управляемые от сервера предприятия и связанные с информационными подсистемами верхнего уровня, сопряженными с основным и вспомогательным технологическим оборудованием (рис. 1).
23 марта 2015

Эти процессы модернизации производства требуют значительных ресурсов, причем не только финансовых. В отечественном станкостроении они идут в очень непростых условиях: при весьма скудной государственной адресной поддержке станкозаводов и вопреки общей деградации научно-образовательного комплекса станкостроения. Понятно, что при таких стартовых условиях конкуренция с ведущими мировыми производителями станкоинструментальной продукции значительно затруднена.

Рис. 1. Элементы единого информационного пространства

Современные требования к производству станочного оборудования, к качеству и срокам его изготовления, обусловливают применение новых подходов к реформированию технологической среды и управлению предприятием [1].

Концепция автоматизации производства, реализуемая в условиях необходимости оперативного реагирования на изменение требований рынка, должна базироваться на применении процессного подхода, ориентированного на повышение качества и сокращение срока выпуска продукции, в нашем случае – производства нового станочного оборудования, – с минимальными затратами всех видов ресурсов.

Эти подходы основаны на организации производственной деятельности в условиях единого информационного пространства, инструментами создания которого является комплексное внедрение компьютерных технологий на следующих этапах, интегрированных в рамках концепции цифрового производства:

  • управление производственными процессами;
  • управление материально-техническим обеспечением производства;
  • проектирование и управление процессом проектирования;
  • технологическая подготовка производства и управление процессом технологической подготовки производства;
  • управление изготовлением изделия;
  • логистическое сопровождение изделия.

При создании единого информационного пространства (ЕИП), построенного на принципах интеграции разнородного программного обеспечения, перед специалистами в области информационных технологий встает целый ряд проблем, связанных с изменением подходов к организации производственных процессов, поскольку необходимо автоматизировать не отдельные участки и/или процессы производства, а поэтапно реализовывать концепцию автоматизации производства в целом.

Деятельность всех подразделений предприятия представляет собой множество взаимообусловленных и взаимосвязанных процессов, каждый из которых должен предусматривать достижение заданной цели, решения поставленной задачи с определенными значениями параметров процесса. Это, казалось бы, очевидное утверждение достаточно сложно реализовать на практике. Основная «теоретическая» трудность состоит в отсутствии навыков декомпозиции целей и формализации ценности изделия –- для конечного потребителя, на каждом этапе его создания.

Практические же трудности начинаются с момента осознания высшим руководством необходимости достаточно серьезных материальных вложений в создание единой информационной среды. Предстоит приобретение лицензионного программного обеспечения, средств вычислительной техники, периферийного и сетевого оборудования, а также изыскание финансовых и временных ресурсов на повышение квалификации кадров.

Размер таких вложений может быть определен на основании предварительного обследования предприятия как внешними независимыми экспертами и/или фирмами, так и представителями внутренних IT-подразделений. Причем выбор экспертов может оказать значительное влияние как на состав и количество программно-аппаратных комплексов, принципы формирования единой информационной и трансформируемой конструкторско-технологической среды, так и на стратегию развития предприятия в целом. Следует учесть, что если в качестве экспертов, обследующих предприятие, выступают фирмы-продавцы специализированного программного обеспечения (СПО), то, естественно, будут рекомендованы программные продукты этой фирмы и число лицензий будет максимально возможным или даже избыточным. Кроме того, такие эксперты, ориентированные на продажу своих программных продуктов и комплексных решений, основанных на их использовании, как правило, не могут предложить выбор наиболее подходящего СПО с учетом опыта его использования в других отраслях.

Обработка деталей в модуле MC Manufacturing CATIA v5

Если в качестве экспертов выступают сотрудники внутренних IT-подразделений, то и здесь ситуация может быть весьма неоднозначной. В настоящее время в таких подразделениях обычно работают специалисты в области информационных систем, специализирующиеся на конфигурировании компьютерной техники, администрировании локальных сетей и т.п. Однако наличие у таких сотрудников знаний в области компьютерного проектирования и автоматизированной подготовки производства высокотехнологичных технических систем, к которым относится прогрессивное станочное оборудование, – большая редкость. Именно поэтому рекомендации этих специалистов могут быть весьма субъективными, отражающими в первую очередь потребности в компьютерной технике руководящего состава предприятия.

В этой связи оптимальным является наличие на предприятии специализированного подразделения, в котором объединены сотрудники, обладающие знаниями, компетенциями и навыками работы как в области техники и технологий проектирования и производства высокотехнологичных технических систем, так и в области финансово-экономического сопровождения производственных процессов, т.е. информационного, организационно-технического и технологического сопровождения процесса создания и эксплуатации изделия на всех стадиях его жизненного цикла. Только глубокое знание особенностей конструкторско-технологической среды предприятия, методологии построения компьютеризированных производств, требований рынка, а также специализированного программного обеспечения может быть основой для целесообразного выбора СПО, соответствующего уровню сложности выпускаемых изделий и организационно-технической структуре предприятия.

То есть речь идет о первом шаге создания единого информационного пространства – выборе СПО из широкого набора предложений на рынке CAD/CAM/CAE/PDM/PLM/MES/ERP-систем.

Чтобы представить себе сложность и неоднозначность выбора, рассмотрим основные функциональные возможности этих систем.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ CAD/CAM/CAE-СИСТЕМ

Термин (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) означает компьютерное сопровождение проектирования/компьютерное сопровождение изготовления изделий.

Компьютерное сопровождение проектирования – это разработка конструкторского проекта изделия на основе геометрического моделирования деталей и сборочных единиц, с последующим автоматизированным формированием комплекта чертежно-конструкторской документации. Обычно CAD/CAM-модули объединены в рамках одной системы, чтобы избежать потери данных при переходе от одной математической модели к другой. В настоящее время проектирование в CAD-модуле выполняется на основе трехмерных моделей (3D-моделирование), из которых легко получить «плоские» 2D-модели, то есть деталировочные и сборочные чертежи со всевозможными «образмеренными» видами, разрезами и сечениями, а также различные виды спецификаций.

Под компьютерным сопровождением изготовления изделий (CAM-модуль) традиционно понимается автоматизированная разработка управляющих программ для станков с ЧПУ на основе созданной в CAD-модуле 3D-модели.

В настоящее время фирмы-разработчики СПО предлагают CAD/CAM-системы, отличающиеся по функциональным возможностям и мощности (уровень сложности системы), что существенно влияет на процесс освоения системы пользователем и ее стоимость. В существующей классификации CAD/CAM-систем можно условно выделить 3 уровня:

  1. К системам высокого уровня – «тяжелым» относятся CAD/CAM-системы, обеспечивающие проектирование и изготовление изделий на наиболее высоком уровне (high-end). Эти 3D-системы предназначены для работы конструкторско-технологических подразделений в условиях параллельного проектирования, т.е. работы на корпоративном уровне, ориентированы на связанные процессы, имеют комплекс модулей, обеспечивающих решение разнородных по физической природе инженерных задач, (включая CAE – модули) и использование базы знаний. Представителями таких систем являются в первую очередь CATIA v.5 и v.6, Unigraphics – NX 10 и Pro/Engineer – PTC Creo. Системы этого уровня связаны воедино с «родными» системами ведения проектов (PDM-системами) и системами сопровождения жизненного цикла (PLM-системами). Сюда же можно отнести и систему SolidWorks, имеющую CAD/CAM/CAE-модули, а также PDM-систему, связанную с некоторыми модулями системы управления предприятием – 1С:УПП.
  2. К системам среднего уровня относятся 3D-системы, которые не претендуют на охват всех проектных и технологических задач, но имеют достаточно развитую функциональность, ориентированную на разработку технической документации. К числу этих систем с более развитой конструкторской частью следует отнести Cimаtron- Cimatron E11, Inventor и т.п.; а с более развитой с технологической частью, ориентированной на условия работы российских предприятий, – T-Flex. Эти системы проще в освоении и использовании и уровень сложности моделей данных (3D-моделей) ниже, по сравнению с моделями, реализуемыми в системах высшего уровня.
  3. К системам низшего уровня – «легким системам» относятся системы для автоматизации чертежных работ: 2D, 2,5D или 3D-системы, значительно ограниченные по сложности создаваемых моделей, по числу деталей в сборочной единице или изделии, по удобству работы с системой. У таких систем отсутствует CAM-модуль, и тем более CAE-модуль. Но системы этого класса достаточно дешевы и поэтому имеют в настоящее время широкое распространение на промышленных предприятиях разных отраслей. К системам этого класса относятся AutoCad, Компас и т.п.

Системы инженерного анализа – CAE-системы (Computer Aided Engineering) предназначены для моделирования физических процессов, происходящих в проектируемом изделии или его части – например, при статических и динамических механических нагрузках, при ударах, различных температурных воздействиях; возможен анализ шумовых характеристик конструкции, анализ освещенности и многое другое.

Автоматическое получение видов по трехмерной модели в CAD-модуле системы CATIA v5

Математической основой инженерных исследований являются численные методы граничных элементов, конечных разностей, нелинейного конечноэлементного анализа (FEA – Finite Element Analysis). В результате исследований оптимизируется конструкция изделия, уточняются физико-механические характеристики, что позволяет повысить эксплуатационные характеристики и рабочий ресурс изделия.

Исследоваться могут и технологические процессы – например, процесс горячей объемной и листовой штамповки, гибки, прокатки, литья, в том числе из металлических и неметаллических материалов, оптимизация параметров которых приводит к улучшению качества и повышению долговечности изготавливаемого изделия. Кроме того, значительно уменьшаются затраты на изготовление и доводку опытных образцов, следовательно, происходит сокращение сроков вывода на рынок новых изделий. К числу наиболее распространенных инженерных исследовательских сред относятся интегрированные комплексы ADAMS (MDI), I_DFACNASTER Series (SDRC–Structural Dynamics Research Corporation), специализированные пакеты: CAE/MSC – MacNeal-Shcwonder Corporation, MDI – Mechanical Dynamic Inc., MSC – MSE/Nastran, MSC/AKIES и MSE/PATRAN. и др.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ PDM-СИСТЕМ. (PRODUCT DATA MANAGEMENT – УПРАВЛЕНИЕ ДАННЫМИ ОБ ИЗДЕЛИИ)

Все процессы компьютерного моделирования технических объектов, выполненные в CAD/CAM/CAE-системах, могут отслеживаться и управляться PDM-системой, поскольку они изначально формализованы. 3D-модели и конструкторско-технологическая документация, созданные в этих системах, являются исходной информацией для формализации организационно-технических производственных процессов, что позволяет обеспечить интеграцию, преемственность и совместное использование информации, порождаемой на всех этапах жизненного цикла изделия, т.е. организовать работу предприятия в условиях единого информационного пространства.

Современные PDM – системы состоят из следующих основных модулей:

  • управление документами;
  • управление данными об изделии;
  • управление изменениями и версиями;
  • управление конфигурацией изделия;
  • управление потоками работ;
  • импорт и экспорт данных;
  • запросы и отчеты;
  • администрирование;
  • управление правами доступа;
  • встроенные средства просмотра (Viewer).

Управление документами – получение, просмотр и копирование документов из различных источников; хранение, внесение изменений, эффективный расширенный поиск, создание иерархических связей между документами, группирование в папки и т.п.

Управление данными об изделии – хранение и обработка данных о составе изделия, его структуре и вариантах конфигурации; геометрических моделей и чертежей, хранящихся в различных форматах; технических характеристик изделия и др. информации в электронном хранилище данных (Data Vault). Поиск деталей в составах различных изделий, накопление и повторное использование конструкторско-технологической информации – формирование базы знаний.

Управление изменениями и версиями. Управление внесением изменений в конструкцию изделий и их компонентов и управление версиями. Просмотр «генеалогии» (дерева) изменений. Реализация контроля над версиями изделий и их компонентов. Обеспечение управления проектами по внесению изменений.

Управление конфигурацией изделия – по дате и версии, применение альтернативных компонентов (деталей) изделий, идентификация и отслеживание изделия, многовидовые спецификации.

Управление потоками работ – формализованное визуальное представление конструкторско-технологических бизнес-процессов (потоков работ), электронное согласование конструкторской документации и внесение изменений в проект. Наличие базы экспертных знаний шаблонов процедур (создания изделия, внесения изменений и пр.). Упорядочивание связей исполнителей, информации о конкретных документах, деталях, сборочных единицах, изделиях и процессах. Формирование списка заданий исполнителям с указанием приоритета выполнения работ и рассылка оповещений о различных событиях, утверждение работ; возможность возврата и повторного выполнения предыдущих работ; контроль выполнения процессов жизненного цикла изделия и т.д.

Импорт и экспорт данных. Возможность получения данных об изделии из разных источников и импортирование их в систему PDM. Экспорт данных (структуры изделия, документов, ссылочных документов и папок) в требуемом формате одному или нескольким бизнес-партнерам.

Запросы и отчеты – для выборки данных из электронного хранилища: контекстный поиск и поиск по атрибутам, различные сортировки данных; сохранение результатов запроса для дальнейшего использования. Отчеты: итоговые, структурированные и т.п., генерация отчетов по форме и составу, необходимому предприятию.

Администрирование – контроль иерархических связей между объектами, устаревших и совпадающих объектов, ревизии. Настройка системы с учетом требований предприятия, включая: создание, модификацию и удаление шаблонов объектов; создание и настройку проектов; назначение пользователей и групп пользователей; разграничения прав доступа к информации; управление местом хранения информационных объектов в общекорпоративном электронном архиве и т.д. Управление классификаторами типовых компонентов изделия и документов.

Управление правами доступа – организация доступа пользователей к данным в соответствии с их правами и функциями.

Встроенные средства просмотра (Viewer) документов, моделей и чертежей деталей и пр. различных форматов, а также возможность использования внешних приложений для визуализации данных. К числу наиболее известных представителей данного класса систем относятся: TeamCenter, SmartTeam и др.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ  ВОЗМОЖНОСТИ PLM-СИСТЕМ

PLM (Product Lifecycle Management – управление жизненным циклом изделия) – комплексная система, функционирующая на основе интегрированной информационной модели всех этапов жизненного цикла продукта. PLM решения предназначены для обмена информацией между CAD/CAM/CAE и PDM-системами, системами планирования ресурсов предприятия (ERP), управления поставками (SCM) и управления взаимоотношениями с заказчиками (CRM). В такой интегрированной среде функции PLM-системы следующие:

  • Возможность управления параметрами компонентов электронного макета изделия как геометрическими, так и внешними (несущими функциональную нагрузку, например, сила, тип сечения, материал).
  • Накопление знаний, получаемых в процессе проекта, их систематизация и управление в ходе повторного применения.
  • Возможность создания электронного макета изделия на базе библиотек поведенческих шаблонов. Наличие средств создания приложений для генерации изделия на базе библиотек поведенческих шаблонов и поддержка их системой PDM.
  • Расширяемость системы за счет интегрированных решений, закрывающих такие области, как специфические виды прочностного анализа, освещенности, газовой динамики, виртуального производства, статических испытаний, акустики и т.д.
  • Возможность применения электронного макета для моделирования разнообразных процессов жизненного цикла – изготовление, эксплуатация, модернизация и т.п.
  • Ведение цифрового макета, включая ведение состава изделия, управление изменениями, управление документами и др.
  • Параллельный инжиниринг.
  • Совместная работа различных функциональных пользователей.
  • Совместная работа в среде расширенного предприятия.
  • Накопление и управление знаниями.
  • Возможности экспорта/импорта данных в частности, для создания интерактивных руководств по ремонту и эксплуатации изделия.

К числу наиболее известных представителей данного класса систем относятся: Enovia, Windchill, Siemens PLM Software и др.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ MES-СИСТЕМ

MES (Manufacturing Execution System – система управления производственными процессами) — СПО, предназначенное для решения задач синхронизации, координации, анализа и оптимизации выпуска продукции в рамках производства. MES-системы относятся к классу систем управления на уровне цехов, но могут использоваться и для управления производством на предприятии в целом. Основными функциями MES – систем являются:

  • контроль состояния и управление ресурсами: технологическим оборудованием, материалами, персоналом, обучением персонала, а также другими объектами, такими как документы, которые должны быть в наличии для начала производственной деятельности;
  • оперативное детальное планирование. Обеспечивает упорядочение производственных заданий, основанное на очередности, атрибутах, характеристиках, связанных со спецификой изделий;
  • диспетчеризация производства – управление потоком единиц продукции в виде заданий, заказов, серий, партий и заказ-нарядов;
  • управление документами – контроль содержания и прохождения документов, которые должны сопровождать выпускаемое изделие;
  • сбор и хранение данных – взаимодействие информационных подсистем в целях получения, накопления и передачи технологических и управляющих данных, циркулирующих в производственной среде предприятия;
  • управление персоналом – получение информации о состоянии персонала и управление им в требуемом масштабе времени. Возможно взаимодействие с функцией распределения ресурсов, для формирования оптимальных заданий;
  • управление качеством – анализ в реальном времени измеряемых показателей, полученных от производства, для гарантированно правильного управления качеством продукции и определения проблем, требующих вмешательства обслуживающего персонала;
  • управление производственными процессами – отслеживание производственных процессов с автоматической корректировкой или поддержкой принятия решений оператором для выполнения корректирующих действий;
  • управление техобслуживанием и ремонтом обеспечивает планирование периодического и предупредительного ремонтов, ремонта по состоянию. Накапливает и хранит историю произошедших событий (отказы, уменьшение производительности и др.);
  • возможность получения информации о состоянии и местоположении заказа в каждый момент времени;
  • анализ производительности – формирование отчетов о фактических результатах производственной деятельности, сравнение их с историческими данными и ожидаемым коммерческим результатом.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ERP-СИСТЕМ (ENTERPRISE RESOURCE PLANNING – ПЛАНИРОВАНИЕ КОРПОРАТИВНЫХ РЕСУРСОВ)

ERP-система – это комплекс программных продуктов (модулей), автоматизирующих основные и вспомогательные процессы предприятия. К основным процессам обычно относят закупки, сбыт и производство. В число вспомогательных процессов могут входить управление качеством, техническое обслуживание и ремонт оборудования, сервисное обслуживание, управление складами и др.

Расчет деформаций и напряжений в детали, выполненной в CAE-модуле системы CATIA 5

В зависимости от количества модулей и объемов обрабатываемой информации ERP–системы разделяют на системы высокого и низкого уровня. В состав ERP–системы высокого уровня может входить до 24 стандартных модулей. Это, например, SAP ERP. К системам низкого уровня можно отнести 1С: ERP.

Основные функции ERP-систем:

  • управление производством – управление по межцеховым переходам и на операционном уровне, маршрутные листы, управление партиями запуска, групповые и персональные задания на работу, оперативная диспетчеризация, управление по «узким местам», управление загрузкой, планирование до кванта времени, готовность работы с неточными нормативами;
  • подсистема учета затрат и расчета себестоимости – детализация до объема исходных затрат;
  • подсистема управления финансами – учет в разрезе направлений деятельности, этапы согласования заявок, гибкие правила распределения, эквайринговые операции;
  • бюджетирование – табличная модель бюджетирования, версионирование, расчет плановых показателей, расшифровка данных;
  • подсистема управления персоналом и расчета заработной платы – ведение штатного расписания, расчет зарплаты по данным выработки сотрудников, гибкие возможности отражения зарплаты в финансовом и регламентированном учете;
  • техническое обслуживание и ремонт оборудования – учет объектов ремонта, регистрация наработки, учет текущих и внеплановых ремонтов, интеграция с производственной подсистемой – графики доступности оборудования;
  • автоматизация торгово-складской деятельности предприятия – управление эффективностью процессов продаж и сделок с клиентом, настраиваемые возможности автоматического ценообразования, использование регламентированных процессов продаж, расширенное управление заказами клиентов, управление торговыми представителями, мониторинг состояния процессов продаж, обособленный учет по заказам – резервирование потребностей, мобильные рабочие места работников складов, учет многооборотной тары, статистический анализ запасов, управление доставкой и товарный календарь;
  • регламентированный учет – настройка правил отражения хозяйственных операций для групп финансового учета, учет фактов хозяйственной деятельности отложенным проведением с контролем актуальности отражения, оперативный контроль формирования проводок для произвольного документа, расчеты с обособленными подразделениями организации, автоматическая поддержка учета «сложного» НДС без дополнительных настроек, расшифровки декларации по налогу на прибыль и регламентированной отчетности.

Таким образом, ERP-система должна быть источником полной, актуальной и достоверной информации обо всех экономических аспектах деятельности предприятия, на основании которой возможна оптимизация затрат и доходов предприятия за счет своевременного и обоснованного принятия решений на всех уровнях управления. [2]

Мероприятия, необходимые при создании ЕИП. Даже весьма общие описания функциональных возможностей систем, приведенные выше, дают представление о трудностях их выбора, их сочетания для необходимого и достаточного обеспечения производственных процессов в условиях работы в едином информационном пространстве.

Чтобы не ошибиться в выборе и не тратить слишком много времени на этот первый шаг, предлагается предварительно выполнить следующие мероприятия [3, 4]:

  • Обследование, моделирование и анализ деятельности подразделений предприятия для определения потребностей в СПО, включая:
  1.      – описание информационных потоков и компьютерного обеспечения подразделений предприятия «как есть»;
  2.      – анализ информационных потоков в структуре предприятия;
  3.      – выявление, описание и согласование бизнес-процессов с определением ролей и прав доступа всех участников процесса;
  4.      – моделирование бизнес-процессов «как должно быть» для работы в условиях ЕИП;
  5.      – разработка предложений по реинжинирингу бизнес-процессов;
  6.      – оптимизация существующих бизнес-процессов;
  7.      – разработка Концепции информатизации предприятия;
  •  Анализ CAD/CAM/CAE/-PDM/MES/ERP-систем с точки зрения:
  1. необходимости и достаточности их функциональности (определение достаточного уровня сложности систем);
  2. возможности прямой передачи данных в PDM-систему;
  3. определение уровня сложности и модульного состава MES/ERP-системы;
  4. возможности прямой передачи данных из PDM-системы в MES/ERP-системы;
  5. соотношения цена/функциональность систем;
  6. возможности и сроков освоения систем профильными специалистами.
  • Разработка бизнес-плана информатизации предприятия;
  • Обучение сотрудников работе в условиях ЕИП и привлечение новых специалистов;
  • Внедрение организационных новаций [5]:
  1. разработка нормативной документации, регламентирующей работу подразделений предприятия в условиях ЕИП
  2. переход на оригиналы конструкторско-технологической документации в электронном представлении
  3. организация параллельного проектирования
  4. организация получения данных всеми службами предприятия из единой базы данных PDM/MES/ERP-систем
  5. внедрение системы менеджмента качества (СМК) по прописанным и утвержденным производственным процессам.

Литература:

  1. Олейник А.В. Интеллектуальное сопровождение CALS-технологий/ Качество, инновации, образование». – 2003. – №2. С.54-58.
  2. А.Н. Тихонов, Ю.В. Полянсков, Л.В. Кузнецова, А.К. Скуратов, А.В. Николаев, А.С. Кондратьева, О.И. Максимова, И.С. Рутковский, А.Е. Глухов, М.А. Черников./ Особенности внедрения ИПИ-технологий на предприятиях России/Монография/.– Ульяновск: УлГУ, 2006. –224с.
  3. Николаев А.В., Кузнецова Л.В., Максимова О.И., Глухов А.Е./Способы оптимизации бизнес-процессов для автоматизации управления компанией./Известия высших учебных заведений Поволжский регион. Технические науки. №3, 2008г. Раздел Информатика. Вычислительная техника и управление. г. Пенза. ПГУ, 73-81с.
  4. Олейник А.В., Кузнецов Л.Ю., Кузнецова Л.В., Николаев А.В., Левкина О.Ю./Методика моделирования организационно-технологических процессов для внедрения ERP-систем на примере литейного производства авиастроительного предприятия./Журнал «Технология машиностроения» ISSN 1562-322Х, № 12, 2010, с. 54-58
  5. Волкова Г.Д., Новоселова О.В. Исследование контуров управления машиностроительного предприятия/М.: Издательский центр «Технология машиностроения». – 2010 г. – №3.– с.62-66.